Lập trình điều khiển mô hình hộp số tự động A140E sử dụng khí nén phục vụ công tác giảng dạy

Đồ án lập trình điều khiển mô hình hộp số tự động A140E bằng khí nén tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Hà Mạnh Cường
• Người hướng dẫn: ThS. Văn Ánh Dương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Lập trình điều khiển mô hình hộp số tự động A140E sử dụng khí nén phục vụ công tác giảng dạy
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình hộp số tự động A140E dùng trong đào tạo

Hộp số tự động A140E là sản phẩm tiêu biểu của tập đoàn Toyota. Dòng hộp số này xuất hiện phổ biến trên các mẫu xe sedan như Camry hoặc Corona từ đầu thập niên 1990. Cơ cấu truyền động gồm bốn cấp số tiến và một cấp số lùi. Hệ thống điều khiển điện tử kết hợp biến mô thủy lực tối ưu hóa tỷ số truyền. Nhờ đó, động cơ vận hành êm ái và tiết kiệm nhiên liệu vượt trội. Tại Khoa Cơ khí Động lực thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, mẫu hộp số này giữ vai trò then chốt trong chương trình thực hành kỹ thuật ô tô. Cấu trúc cơ khí kinh điển của cụm bánh răng hành tinh cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc. Người học dễ dàng tiếp cận nguyên lý chuyển tầng số tự động thông qua các van điện từ ECT. Nghiên cứu mô hình hóa trang thiết bị này mở ra hướng tiếp cận trực quan sinh động. Sinh viên nắm bắt quy trình phân phối áp suất dầu và điều khiển điện tử chuẩn xác. Đề tài xây dựng nền móng kỹ thuật vững vàng cho kỹ sư ô tô tương lai.

1.1. Cấu tạo cơ bản của hộp số tự động A140E Toyota

Cấu tạo hộp số A140E chia thành ba cụm chính. Cụm biến mô thủy lực truyền mô-men xoắn từ trục khuỷu sang trục sơ cấp. Bộ bánh răng hành tinh đảm nhận nhiệm vụ biến đổi tỷ số truyền lực. Cụm này gồm ba bộ bánh răng: bộ truyền tăng Overdrive, bộ hành tinh trước và bộ hành tinh sau. Hệ thống phanh dải cùng các bộ ly hợp ma sát ướt khóa cố định hoặc giải phóng từng phần tử bánh răng. Khối điều khiển thủy lực tiếp nhận tín hiệu từ các van điện từ Solenoid. Các van này đóng mở mạch dầu theo lệnh từ máy tính điều khiển ECT. Mạng lưới đường dầu phân phối áp lực chuẩn xác đến từng piston chấp hành. Cơ chế hoạt động đồng bộ tạo ra tỷ số truyền tối ưu ở từng dải vận tốc.

1.2. Vai trò của mô hình đào tạo tại ĐH SPKT TP.HCM

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chú trọng đào tạo thực hành ứng dụng. Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô cần hiểu sâu cơ cấu truyền động tự động. Mô hình cắt bổ tĩnh trước đây bộc lộ nhiều điểm hạn chế. Mô hình tĩnh không thể hiện được chuyển động quay và quá trình gài số động. Do đó, việc xây dựng mô hình hoạt động thực tế là yêu cầu cấp thiết. Mô hình mới hỗ trợ giảng viên giải thích trực quan dòng truyền lực. Sinh viên quan sát rõ trạng thái làm việc của từng bộ ly hợp ma sát. Môi trường thực hành sinh động kích thích tư duy phân tích kỹ thuật. Trang thiết bị đóng góp tích cực vào việc nâng cao chất lượng nguồn nhân lực kỹ thuật.

II. Khó khăn khi tiếp cận hộp số tự động A140E trong thực hành

Việc nghiên cứu hộp số tự động A140E nguyên bản gặp nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp. Vỏ hộp số bằng hợp kim nhôm đúc kín hoàn toàn các cụm chi tiết bên trong. Cơ cấu hành tinh, đĩa ma sát và van dầu hoạt động trong không gian kín ngập dầu. Người học chỉ có thể hình dung chuyển động qua bản vẽ hai chiều hoặc tài liệu lý thuyết trừu tượng. Việc quan sát trực tiếp sự ăn khớp của bánh răng và hoạt động kẹp giữ đĩa ma sát là bất khả thi. Khi tháo rời từng cụm chi tiết, tính liên kết động học giữa các cơ cấu lập tức bị triệt tiêu. Ngoài ra, việc vận hành hộp số thực đòi hỏi áp suất dầu thủy lực rất cao. Bơm dầu cần mô-men xoắn lớn từ động cơ đốt trong để tạo dòng áp lực. Quá trình này dễ gây rò rỉ dầu khoáng, tạo khói thải và phát sinh nguy cơ mất an toàn tại phòng thí nghiệm. Mặt khác, các tín hiệu cảm biến tốc độ và vị trí bướm ga có tính chất phi tuyến. Sinh viên gặp nhiều khó khăn khi chẩn đoán mã lỗi hoặc kiểm tra phản hồi chấp hành trên xe thực tế.

2.1. Hạn chế của phương pháp quan sát hộp số thủy lực kín

Hệ thống điều khiển thủy lực truyền thống dùng dầu ATF áp suất cao. Áp lực dầu luân chuyển qua mạng van chằng chịt trong thân van. Khi hộp số lắp kín, mắt thường không thể quan sát dòng dầu chảy. Người học không thể nhìn thấy piston nén ép đĩa ma sát ở từng tay số. Giảng viên chỉ có thể mô tả hoạt động bằng sơ đồ mặt cắt tĩnh. Sự thiếu hụt hình ảnh trực quan khiến sinh viên khó nắm bắt chu trình điều khiển. Ngoài ra, việc bảo trì hệ thống thủy lực trong phòng học gặp nhiều bất tiện. Dầu bôi trơn dễ vương vãi ra sàn xưởng, gây trơn trượt và ô nhiễm môi trường giảng dạy. Thiết bị cồng kềnh đòi hỏi chi phí thay dầu định kỳ rất tốn kém.

2.2. Thách thức mô phỏng dòng công suất chuyển số thực tế

Hộp số A140E chuyển đổi các tay số 1, 2, 3 và Overdrive rất linh hoạt. Mỗi cấp số yêu cầu sự phối hợp đồng thời giữa các cụm ly hợp C0, C1, C2 và phanh B1, B2, B3. Nếu đóng mở sai trình tự, cơ cấu bánh răng sẽ bị kẹt cứng hoặc trượt tải nghiêm trọng. Mô phỏng động học đòi hỏi kiểm soát dòng công suất theo thời gian thực chuẩn xác. Động cơ điện truyền động phải duy trì tốc độ quay chậm và ổn định. Người học cần nhìn rõ tốc độ quay tương đối giữa bánh răng bao, bánh răng mặt trời và cần dẫn. Đây là bài toán khó khi thiết kế mô hình dạy học kỹ thuật. Các giải pháp cơ học truyền thống không thể đáp ứng tính năng điều khiển chuyển đổi linh hoạt này.

III. Giải pháp điều khiển mô hình hộp số tự động A140E bằng khí nén

Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đề xuất giải pháp thay thế dầu thủy lực bằng hệ thống khí nén sạch. Khí nén có đặc tính sạch sẽ, phản hồi nhanh và an toàn tuyệt đối trong môi trường học đường. Vỏ hộp số được gia công phay cắt bổ khéo léo để lộ toàn bộ các cụm bánh răng hành tinh và đĩa ly hợp. Các đường dẫn khí nén được đấu nối trực tiếp vào buồng piston điều khiển ly hợp C0, C1, C2 và phanh B1, B2, B3. Một bộ vi điều khiển trung tâm đảm nhận vai trò xử lý logic và điều phối tín hiệu. Vi điều khiển giao tiếp với mạch rơ-le công suất để kích hoạt dàn van điện từ khí nén 5/2. Động cơ điện xoay chiều một pha giảm tốc được lắp ở đầu vào để dẫn động mô hình với tốc độ an toàn. Khi người dùng thao tác cần số hoặc nút nhấn trên bảng điều khiển, bộ vi điều khiển lập tức kích hoạt tổ hợp van tương ứng. Khí nén đẩy piston ép chặt các đĩa ma sát hoặc siết dải phanh. Bánh răng quay êm ái, thể hiện chính xác tỷ số truyền của từng tay số.

3.1. Thiết kế cơ cấu chấp hành khí nén thay thế dầu thủy lực

Nhóm thiết kế sử dụng máy nén khí mini kết hợp bộ lọc điều áp khí nén AFR-2000. Áp suất khí vận hành được tinh chỉnh trong khoảng từ 4 đến 6 bar. Áp lực này bảo đảm lực kẹp giữ chắc chắn mà không gây biến dạng đĩa ma sát. Các đường ống dẫn khí mềm PU chất lượng cao thay thế hệ thống rãnh dầu phức tạp. Dàn van điện từ khí nén đóng mở mạch khí với tốc độ chuyển mạch cực nhanh. Khi cuộn hút nhận điện áp 12V hoặc 24V, lõi van chuyển trạng thái tức thì. Luồng khí nén đi thẳng vào buồng ép piston của từng cụm ly hợp và phanh. Giải pháp này giúp loại bỏ hoàn toàn dầu thủy lực, duy trì phòng học luôn sạch sẽ và tiện dụng.

3.2. Thuật toán lập trình vi điều khiển kích hoạt ly hợp và phanh

Thuật toán điều khiển lập trình xây dựng trên vi xử lý trung tâm theo lưu đồ trạng thái logic. Hệ thống thu thập tín hiệu chuyển số từ cần số P-R-N-D-2-L hoặc nút nhấn trên bảng điều khiển. Khi nhận lệnh số 1 dãy D, vi điều khiển kích hoạt ly hợp C0 và C1. Bánh răng bao trước quay thuận chiều kim đồng hồ, truyền lực làm xe tiến chậm. Khi sang số 2, phanh dải B2 đóng lại để cố định bánh răng mặt trời trước và sau. Khi chuyển sang số truyền tăng OD, ly hợp C0 ngắt và phanh B0 khóa bánh răng mặt trời Overdrive. Đèn LED trên sa bàn sáng đồng thời để thông báo trạng thái từng cơ cấu chấp hành. Lưu đồ lập trình kiểm soát thời gian trễ chuẩn xác, loại bỏ nguy cơ kẹt số cơ khí.

IV. Giá trị ứng dụng mô hình hộp số tự động A140E trong giảng dạy

Mô hình hộp số tự động A140E điều khiển bằng khí nén mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho công tác giảng dạy tại ĐH SPKT TP.HCM. Thiết bị chuyển đổi thành công kiến thức lý thuyết trừu tượng thành trải nghiệm trực quan sống động. Sinh viên quan sát trực tiếp sự dịch chuyển của piston, đĩa ma sát và các cụm bánh răng hành tinh. Quá trình truyền mô-men từ trục sơ cấp qua trục trung gian đến vi sai hiển thị tường minh qua từng tay số. Tốc độ quay của mô hình được khống chế ở mức vừa phải, bảo đảm an toàn lao động và dễ dàng theo dõi. Nhờ hệ thống khí nén không khói bụi và không rò rỉ dầu mỡ, mô hình vận hành thân thiện ngay trong phòng học lý thuyết. Thiết bị còn hỗ trợ sinh viên rèn luyện kỹ năng đọc sơ đồ mạch điện, đo đạc tín hiệu van điện từ và lập trình vi xử lý. Công trình khẳng định năng lực sáng tạo khoa học kỹ thuật và tinh thần ứng dụng thực hành cao của sinh viên ngành kỹ thuật ô tô.

4.1. Hiệu quả trực quan hóa bài giảng kỹ thuật ô tô thực tế

Mô hình cắt bổ vận hành khí nén nâng cao rõ rệt chất lượng tiếp thu của sinh viên. Bài giảng môn Cấu tạo Ô tô và Hệ thống Truyền lực trở nên sinh động, trực quan. Giảng viên thao tác trực tiếp các chế độ số P, R, N, D, 2, L ngay trên sa bàn. Người học quan sát tường tận chuyển động ăn khớp bánh răng và cơ chế hoạt động của khớp một chiều F0, F1, F2. Mô hình giúp người học nhanh chóng ghi nhớ nguyên lý hoạt động thay vì học vẹt lý thuyết sách vở. Việc tích hợp đèn tín hiệu màu sắc trực quan tại từng van khí nén giúp sinh viên đối chiếu dễ dàng với bảng trạng thái hoạt động ly hợp và phanh chuẩn của Toyota.

4.2. Tiềm năng mở rộng nghiên cứu điều khiển tự động hóa ô tô

Nền tảng phần cứng và thuật toán điều khiển của mô hình mở ra nhiều hướng nghiên cứu chuyên sâu. Hệ thống dễ dàng tích hợp màn hình cảm ứng HMI thông minh hoặc kết nối máy tính qua chuẩn giao tiếp công nghiệp. Sinh viên có thể lập trình thuật toán chuyển số tự động dựa trên tải trọng giả lập và góc mở bướm ga ảo. Mô hình cũng là tiền đề phát triển các bài thực hành chẩn đoán lỗi hệ thống ECT. Người học có thể cài đặt tình huống đứt dây, kẹt van khí nén hoặc lỗi cảm biến để thực hành xử lý sự cố. Hướng nghiên cứu này trang bị kiến thức thực tiễn quý báu, đáp ứng nhu cầu phát triển công nghệ cao ngành ô tô.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu sử dụng các phương tiện giao thông cá nhân ngày càng gia tăng. Thực tiễn này đòi hỏi ngành công nghệ kỹ thuật ô tô phải liên tục cải tiến kỹ thuật nhằm nâng cao tính năng an toàn, tối ưu hiệu suất truyền động và đơn giản hóa thao tác điều khiển cho người lái. Trong hệ thống truyền lực, hộp số tự động (Automatic Transmission) giữ vị trí trung tâm với cấu trúc cơ khí – thủy lực – điện tử phức tạp. Việc tiếp cận, quan sát trực quan nguyên lý ăn khớp của các bộ truyền bánh răng hành tinh cũng như cơ chế điều khiển dòng năng lượng trên xe thực tế gặp nhiều rào cản do các cụm chi tiết được bố trí kín trong vỏ hợp kim ngâm dầu.

Từ đòi hỏi thực tiễn của công tác đào tạo kỹ thuật, đề tài "Lập trình điều khiển mô hình hộp số tự động A140E sử dụng khí nén phục vụ công tác giảng dạy" được thực hiện bởi sinh viên Hà Mạnh Cường và Lê Hoàng Khang, dưới sự hướng dẫn của ThS. Văn Ánh Dương tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán trực quan hóa quá trình chuyển số, hỗ trợ sinh viên ngành ô tô quan sát rõ ràng sự can thiệp của hệ thống điều khiển điện tử tới các cơ cấu chấp hành cơ khí.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm ba trọng tâm chính:

1. Nghiên cứu hệ thống cơ sở lý thuyết, phân tích cấu tạo chi tiết và nguyên lý hoạt động của cụm biến mô, bộ truyền bánh răng hành tinh, mạch thủy lực và hệ thống điều khiển điện tử trên hộp số tự động A140E.
2. Thiết kế, thi công phần cứng và lập trình hệ thống điều khiển cho mô hình bằng cách ứng dụng năng lượng khí nén thay thế dầu thủy lực truyền thống, thiết kế bảng điều khiển – hiển thị trạng thái và xây dựng thuật toán điều khiển chuyển số tự động.
3. Vận hành thử nghiệm mô hình ở các trạng thái làm việc khác nhau, kiểm tra chức năng an toàn dự phòng (fail-safe) của các van điện từ và xây dựng bài tập thực hành phục vụ công tác giảng dạy thực tập khung gầm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cụm hộp số tự động 4 cấp A140E trang bị trên dòng xe du lịch Toyota Camry.
• Phạm vi không gian: Thực hiện tại Khoa Cơ khí Động lực, trực tiếp gia công, đấu nối và thử nghiệm tại Xưởng Khung gầm và Xưởng Đồng sơn, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Nghiên cứu, chế tạo và nghiệm thu hoàn thành vào tháng 01 năm 2025.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý truyền động cơ khí tự động và điều khiển điện tử ECT (Electronic Controlled Transmission) của hãng Toyota. Các khái niệm và cơ cấu nền tảng bao gồm:

• Cơ cấu biến mô thủy lực (Torque Converter) gồm ba cánh quay chính: bánh bơm (Pump Impeller) nối với trục khuỷu động cơ, bánh tua-bin (Turbine Runner) nối với trục sơ cấp hộp số, và bánh dẫn hướng (Stator) gắn khớp một chiều; kèm theo ly hợp khóa biến mô (Lock-Up Clutch) nối tắt cơ học ở dải vận tốc cao.
• Bộ truyền bánh răng hành tinh (BRHT) kiểu Simpson gồm bánh răng mặt trời (Sun gear), các bánh răng hành tinh (Planetary pinions), bánh răng bao (Ring gear) và cần dẫn (Carrier), phối hợp cùng bộ truyền tăng Overdrive (OD).
• Các phần tử ma sát điều khiển: Ly hợp số tiến C1, ly hợp số lùi/số truyền thẳng C2; ly hợp bộ truyền tăng C0; phanh dải B1; phanh nhiều đĩa ướt B2, B3, B0; các khớp một chiều F0, F1, F2.
• Hệ thống điều khiển: Phối hợp giữa mạch thủy lực (van điều áp sơ cấp, van điều áp thứ cấp, van chuyển số 1-2, 2-3, 3-4, van rơ-le khóa biến mô) và các tín hiệu điện tử từ cảm biến vị trí bướm ga (TPS loại tuyến tính), cảm biến tốc độ xe (VSS/OSS), cảm biến nhiệt độ nước làm mát (THW), công tắc khởi động trung gian, công tắc phanh và công tắc O/D.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện bao gồm:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Khảo sát, dịch thuật và tổng hợp tài liệu kỹ thuật chính hãng của Toyota, sơ đồ mạch dầu thủy lực, tài liệu sửa chữa hệ thống điều khiển ECT.
• Phương pháp chọn lọc và thu thập thông tin: Phân tích các thông số kỹ thuật, chu trình đóng mở ly hợp/phanh tại các dải số (P, R, N, D, 2, L) để chuẩn hóa quy tắc lập trình.
• Phương pháp thực nghiệm kết hợp phi thực nghiệm: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử; gia công cơ khí giá đỡ và bảng taplo; sử dụng khí nén nạp vào các đường dẫn dầu nguyên bản để kích hoạt piston ly hợp và phanh; lập trình nhúng trên vi điều khiển và chạy thử nghiệm từng cấp số trên mô hình thực tế.

Nguồn dữ liệu: Sơ đồ cấu tạo, mạch dầu và dữ liệu chẩn đoán từ tài liệu kỹ thuật hộp số tự động dòng Toyota A140E; thông số linh kiện điện tử (Arduino Mega 2560, IC ULN2803, Mosfet); kết quả đo đạc tín hiệu logic thực tế trên mô hình xưởng.

---

Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển

Do mô hình phục vụ giảng dạy lý thuyết và thực hành trong môi trường phòng học, việc sử dụng dầu thủy lực áp suất cao dễ gây rò rỉ, mất vệ sinh và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn. Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn giải pháp thay thế áp lực dầu thủy lực bằng hệ thống điều khiển khí nén để kích hoạt các piston của phanh và ly hợp.

Cấu trúc phần cứng của hệ thống điều khiển mô hình bao gồm các khối chức năng:

• Bộ xử lý trung tâm: Sử dụng board mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 với số lượng cổng I/O lớn, tốc độ xử lý ổn định, đảm nhận việc tiếp nhận tín hiệu mô phỏng đầu vào và xuất lệnh điều khiển theo thuật toán chuyển số.
• Khối nhận tín hiệu đầu vào: Biến trở tuyến tính giả lập tín hiệu độ mở bướm ga (TPS); các công tắc chọn chế độ lái, công tắc khởi động trung gian, công tắc phanh, công tắc chọn số OD; cụm cơ cấu cơ khí cần chuyển số cơ bản (P, R, N, D, 2, L); bộ điều khiển tốc độ động cơ điện kéo hộp số (hộp điều khiển tốc độ VS).
• Khối công suất chấp hành: Mạch kích công suất sử dụng Mosfet để đóng ngắt nguồn điện 12V/24V cấp cho các cuộn hút của cụm van điện từ khí nén (Solenoid valve). Cụm van này mở đường dẫn khí nén áp suất xác định đến các đường tác động của piston ly hợp (C0, C1, C2) và piston phanh (B0, B1, B2, B3).
• Khối hiển thị trực quan: Bảng táp-lô hiển thị sơ đồ đường truyền công suất; mạch IC đệm dòng ULN2803 điều khiển hệ thống LED báo trạng thái làm việc tức thời của từng ly hợp, từng phanh và các van điện từ; mạch LED 7 đoạn hiển thị cấp số hiện tại (P, R, N, 1, 2, 3, 4).

Hệ thống thuật toán điều khiển được viết dưới dạng mã nhúng, quét liên tục trạng thái cần số, giá trị điện áp từ chân ga mô phỏng và tần số xung tốc độ. Thuật toán so sánh với bảng tra quy luật sang số của A140E để kích hoạt các van điện từ tương ứng, đồng thời tích hợp thuật toán kiểm tra lỗi để thực thi chức năng dự phòng fail-safe khi một trong hai van solenoid chuyển số gặp sự cố ngắt mạch.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về đề tài

Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc xây dựng thiết bị dạy học trực quan trong ngành công nghệ ô tô. Tác giả trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của sinh viên khi học tập môn thực tập hệ thống truyền lực. Chương 1 xác định rõ đối tượng nghiên cứu là hộp số A140E, định hình bố cục gồm 6 chương nghiên cứu và vạch ra 3 phương pháp tiếp cận chủ đạo: nghiên cứu tài liệu, chọn lọc thu thập thông tin và thực nghiệm kỹ thuật.

Chương 2. Tổng quan về hộp số tự động

Chương 2 phác thảo bức tranh toàn diện về lịch sử và công nghệ hộp số tự động. Tác giả giới thiệu bản vẽ thiết kế hộp số khí nén đầu tiên năm 1923 của kỹ sư máy hơi nước Alfred Horner Munro (Canada); tiếp đến là sáng chế hộp số tự động thủy lực của hai kỹ sư người Brazil Fernando Lehly Lemos và José Braz Araripe; dấu mốc ra đời của hộp số tự động hoàn toàn 4 cấp Hydra-Matic do General Motors sản xuất thương mại hàng loạt năm 1939 trên xe Oldsmobile.

Về mặt phân loại, chương tổng hợp các nhóm:

• Phân loại theo hệ thống: Hộp số tự động thuần thủy lực (AT) và hộp số tự động điều khiển điện tử (ECT).
• Phân loại theo vị trí bố trí: Hộp số ngang FF (Front-engine, Front-wheel drive) tích hợp bộ vi sai bên trong khoang động cơ; và hộp số dọc FR (Front-engine, Rear-wheel drive) kết nối trục các-đăng ra cầu vi sai rời phía sau.
• Phân loại theo tỷ số truyền: Hộp số tự động có cấp (4 cấp số trở lên) và hộp số vô cấp (CVT) sử dụng dây đai kim loại biến thiên đường kính puly. Phần cuối chương phân tích ưu điểm (thao tác đơn giản, vận hành êm dịu, giảm căng thẳng khi lái xe đô thị) và nhược điểm (chi phí sản xuất cao, bảo dưỡng phức tạp, tiêu hao nhiên liệu hơn hộp số sàn trong một số điều kiện vận hành), cùng các cụm chi tiết cơ bản cấu thành hộp số tự động.

Chương 3. Khảo sát hộp số tự động A140E

Chương 3 là phần nghiên cứu lý thuyết cơ sở chuyên sâu về hộp số A140E (hộp số 4 cấp bố trí ngang trang bị trên dòng Toyota Camry và Corolla đầu thập niên 1990). Tác giả mổ xẻ chi tiết kết cấu và nguyên lý làm việc của từng bộ phận:

• Biến mô thủy lực: Phân tích đường dầu tuần hoàn giữa bánh bơm, bánh tua-bin và stator; nguyên lý khuếch đại mô-men xoắn khi xe khởi hành và cơ chế đóng ly hợp khóa biến mô lock-up nhằm tiết kiệm nhiên liệu khi chạy ổn định ở tốc độ cao.
• Bộ truyền bánh răng hành tinh: Trình bày quy tắc động học khi cố định hoặc dẫn động các phần tử để tạo ra chế độ tăng tốc, giảm tốc, truyền thẳng (tỷ số truyền 1:1) và đảo chiều (số lùi).
• Các cơ cấu chấp hành ma sát: Cấu tạo và quá trình đóng/nhả của ly hợp nhiều đĩa ướt C1, C2; phanh dải B1; phanh nhiều đĩa ướt B2, B3; khớp một chiều F1, F2; và cụm bánh răng truyền tăng OD gồm ly hợp C0, phanh B0, khớp một chiều F0.
• Đường truyền công suất: Phân tích chi tiết dòng lực tại từng vị trí số: Dãy "D" số 1, số 2, số 3, số truyền tăng OD; dãy "2" số 2 (kích hoạt phanh B1 để phanh động cơ); dãy "L" số 1 (kích hoạt phanh B3 để tăng hiệu quả hãm động cơ) và dãy số lùi "R".
• Mạch dầu và điều khiển: Phân tích hoạt động của van điều áp sơ cấp, thứ cấp, van chuyển số, van điện từ và các mạch cảm biến TPS, VSS, OSS, THW, công tắc khởi động trung gian, công tắc phanh, công tắc OD.

Bảng tổng hợp hoạt động của các phần tử ma sát và cơ cấu điều khiển theo dải số:

Vị trí cần số	Cấp số	Van điện từ 1	Van điện từ 2	Ly hợp C0	Ly hợp C1	Ly hợp C2	Phanh B0	Phanh B1	Phanh B2	Phanh B3	Khớp 1 chiều F0	Khớp 1 chiều F1	Khớp 1 chiều F2
P	Đỗ xe	Bật	Tắt	Hoạt động	-	-	-	-	-	-	Hoạt động	-	-
R	Số lùi	Bật	Tắt	Hoạt động	-	Hoạt động	-	-	-	Hoạt động	Hoạt động	-	-
N	Trung gian	Bật	Tắt	Hoạt động	-	-	-	-	-	-	Hoạt động	-	-
D	Số 1	Bật	Tắt	Hoạt động	Hoạt động	-	-	-	-	-	Hoạt động	-	Hoạt động
D	Số 2	Bật	Bật	Hoạt động	Hoạt động	-	-	-	Hoạt động	-	Hoạt động	Hoạt động	-
D	Số 3	Tắt	Bật	Hoạt động	Hoạt động	Hoạt động	-	-	Hoạt động	-	Hoạt động	-	-
D	Số OD (4)	Tắt	Tắt	-	Hoạt động	Hoạt động	Hoạt động	-	Hoạt động	-	-	-	-
2	Số 1	Bật	Tắt	Hoạt động	Hoạt động	-	-	-	-	-	Hoạt động	-	Hoạt động
2	Số 2	Bật	Bật	Hoạt động	Hoạt động	-	-	Hoạt động	Hoạt động	-	Hoạt động	-	-
L	Số 1	Bật	Tắt	Hoạt động	Hoạt động	-	-	-	-	Hoạt động	Hoạt động	-	-

Chương 4. Thiết kế, thi công và lập trình hệ thống điều khiển mô hình hộp số tự động A140E phục vụ công tác giảng dạy

Nội dung chương trình bày quy trình triển khai chế tạo mô hình từ bản vẽ đến thực tế:

• Lựa chọn linh kiện: Board vi điều khiển Arduino Mega 2560, module kích Mosfet công suất cao, IC đệm dòng ULN2803, biến trở xoay, hệ thống LED chỉ thị đơn sắc và LED 7 đoạn hiển thị số.
• Thiết kế phần cứng: Thiết kế bố trí bảng táp-lô hiển thị, sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn, mạch giao tiếp cảm biến bướm ga giả lập, mạch cụm van khí nén và mạch giải mã điều khiển LED.
• Thi công lắp đặt: Chuẩn bị khung sắt định hình, xử lý bề mặt, gá đặt hộp số A140E cắt bổ (bộc lộ các chi tiết bên trong), liên kết các đường ống khí nén vào vị trí các piston thủy lực cũ, hàn mạch điện tử điều khiển và đóng hộp bảo vệ.
• Xây dựng thuật toán: Thiết lập lưu đồ thuật toán điều khiển chuyển số dựa trên tương quan giữa độ mở bướm ga (tín hiệu analog từ biến trở) và tốc độ xe (xung giả lập), định nghĩa các ngưỡng nhảy số 1-2, 2-3, 3-4 và lùi số phù hợp với logic vận hành của hộp số A140E.

Chương 5. Vận hành mô hình

Chương 5 cung cấp quy trình kiểm tra, hướng dẫn khai thác và đánh giá vận hành mô hình:

• Các thao tác chuẩn bị: Kiểm tra nguồn điện DC (12V và 5V), áp suất nguồn cấp khí nén, trạng thái các công tắc an toàn và kiểm tra chức năng bảng điều khiển.
• Thử nghiệm các chế độ vận hành: Khảo sát hiển thị tại từng vị trí tay số thực tế gồm số P, số R, số N; các cấp số tiến tự động ở dải D (1D, 2D, 3D, 4D); chế độ ngắt số truyền tăng (O/D OFF); các chế độ giữ số thấp (dải 2 với 1H, 2H, 3H và dải L với 1L, 2L).
• Chức năng an toàn (Fail-safe): Kiểm tra hoạt động dự phòng khi van điện từ số 1 hoặc số 2 bị hỏng (mất điện cuộn hút). Cụ thể, khi van solenoid 1 hỏng, hộp số vẫn có thể gài số 3 ở dãy D; khi van solenoid 2 hỏng, hộp số gài số 1 ở dãy D; khi cả hai van hỏng, người lái vẫn có thể gài số OD bằng cơ cấu thủy lực thuần túy.
• Xây dựng bài thực hành: Thiết kế các bài tập tình huống cho sinh viên như nhận biết trạng thái ly hợp/phanh qua bảng LED, đo kiểm tín hiệu điện áp điều khiển van điện từ, mô phỏng hư hỏng cảm biến và phân tích hiện tượng mất số.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết các nội dung đã hoàn thành của đồ án và đề xuất các phương hướng nâng cấp mô hình trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Về mặt sản phẩm kỹ thuật và kết quả đo đạc:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình giảng dạy hộp số tự động A140E điều khiển bằng khí nén, vận hành độc lập, trực quan hóa toàn bộ quá trình ăn khớp cơ khí của cụm bánh răng hành tinh và các cụm ly hợp, phanh.
• Lập trình thành công trên nền tảng Arduino Mega 2560 thuật toán chuyển 4 cấp số tiến và 1 số lùi tương thích logic chuyển đổi trạng thái của 2 van điện từ solenoid 1 và solenoid 2 theo đúng thiết kế nguyên bản của hãng Toyota.
• Bảng điều khiển tích hợp đầy đủ hệ thống hiển thị trạng thái làm việc tức thời của các cơ cấu chấp hành: LED báo ly hợp C0, C1, C2; LED báo phanh B0, B1, B2, B3; LED báo khớp một chiều F0, F1, F2; và LED 7 đoạn hiển thị chính xác cấp số vận hành (P, R, N, 1D, 2D, 3D, 4D, 1H, 2H, 1L).
• Tích hợp và thử nghiệm thực tế thành công cơ chế an toàn dự phòng (chức năng fail-safe của van điện từ):
  • Khi van solenoid 1 hỏng ở dãy D: Hộp số tự động khóa ở số 3.
  • Khi van solenoid 2 hỏng ở dãy D: Hộp số hoạt động ở số 1.
  • Khi cả hai van solenoid 1 và 2 đều hỏng ở dãy D: Hộp số hoạt động ở số truyền tăng OD.

Đóng góp của đề tài:

• Về phương diện đào tạo: Tạo ra một thiết bị dạy học trực quan phục vụ môn học Thực tập hệ thống truyền lực và môn Lý thuyết ô tô tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
• Về giải pháp kỹ thuật: Khẳng định tính khả thi của việc sử dụng khí nén sạch thay thế hoàn toàn dầu thủy lực áp suất cao trong việc mô phỏng chuyển số cơ khí trên mô hình thực tập, loại bỏ tình trạng ô nhiễm dầu mỡ trong xưởng học tập nhưng vẫn đảm bảo tính chính xác về mặt logic điều khiển học.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của mô hình:

• Nguồn động lực sử dụng khí nén chỉ mô phỏng được hành trình đóng ngắt của piston phanh và ly hợp, không phản ánh được các đặc tính thủy lực thực tế như áp suất dầu biến thiên theo độ mở bướm ga, hiện tượng trượt thủy lực của biến mô, sự dao động áp suất mạch dầu sơ cấp và sự gia nhiệt của dầu ATF trong quá trình làm việc liên tục.
• Hệ thống truyền động kéo hộp số chỉ mang tính chất chạy không tải phục vụ quan sát chuyển động quay, chưa thể mô phỏng các chế độ cản của mặt đường, tải trọng xe thực tế hoặc các điều kiện rung giật khi chuyển số.

Hướng nghiên cứu và phát triển:

• Tích hợp thêm các cảm biến đo áp suất khí nén hiển thị số trên màn hình LCD để người học quan sát trực quan sự thay đổi áp suất cấp vào từng piston ly hợp và phanh.
• Nâng cấp hệ thống giao tiếp máy tính qua phần mềm giám sát (giao diện GUI/Scada) mô phỏng dòng truyền công suất thời gian thực dạng đồ họa 3D đồng bộ với mô hình thực tế.
• Thiết kế các giắc đo kiểm chẩn đoán tín hiệu OBD và hộp tạo pan bệnh (Fault insertion box) để giả lập các sự cố đứt mạch cảm biến TPS, ngắn mạch van solenoid, phục vụ đào tạo kỹ năng chẩn đoán và khắc phục sự cố điện ô tô cho sinh viên.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn cao đối với các nhóm đối tượng sau:

• Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về sơ đồ truyền công suất, phương pháp tính toán tỷ số truyền và nguyên lý điều khiển hệ thống ECT trên các dòng hộp số tự động có cấp của Toyota.
• Giảng viên thực hành khung gầm ô tô: Sử dụng tài liệu làm tài liệu hướng dẫn thực hành xưởng, áp dụng các bài tập vận hành và kiểm tra chức năng an toàn của van solenoid vào giáo trình môn Thực tập khung gầm.
• Người làm đề tài chế tạo thiết bị dạy học: Tham khảo giải pháp kết hợp giữa vi điều khiển Arduino, mạch công suất Mosfet, IC đệm dòng ULN2803 và cụm van điện từ khí nén để cải tiến các cụm chi tiết ô tô cũ thành mô hình đào tạo trực quan, tiết kiệm chi phí và an toàn môi trường.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hộp số tự động A140E thuộc loại nào và được trang bị trên những dòng xe nào?
   Hộp số A140E là loại hộp số tự động 4 cấp số tiến, điều khiển điện tử kết hợp cơ cấu bánh răng hành tinh (ECT), bố trí nằm ngang (dẫn động cầu trước FF). Hộp số này được trang bị phổ biến trên các dòng xe du lịch của hãng Toyota từ đầu thập niên 1990, tiêu biểu là Toyota Camry và Toyota Corolla.

2. Tại sao mô hình lại sử dụng khí nén thay vì dầu thủy lực nguyên bản của hộp số?
   Mô hình sử dụng khí nén nhằm mục đích phục vụ giảng dạy trong môi trường lớp học và xưởng thực hành. Việc dùng khí nén giúp mô hình vận hành sạch sẽ, không bị rò rỉ dầu thủy lực ATF gây bẩn và trơn trượt sàn xưởng, giảm nguy cơ cháy nổ từ áp suất dầu nóng, đồng thời các thao tác đóng ngắt của piston phanh và ly hợp vẫn diễn ra chuẩn xác để người học quan sát.

3. Cơ cấu bộ truyền tăng Overdrive (OD) của hộp số A140E bao gồm các chi tiết nào và làm việc ra sao khi OD ON?
   Bộ truyền tăng OD gồm một bộ bánh răng hành tinh phụ, ly hợp C0, phanh B0 và khớp một chiều F0. Khi công tắc OD bật (OD ON) và xe đạt tốc độ chuyển số truyền tăng, phanh B0 được kích hoạt để cố định bánh răng mặt trời OD. Trục trung gian quay làm cần dẫn quay theo; do bánh răng mặt trời bị giữ chặt, các bánh răng hành tinh tự quay quanh trục của nó và quay xung quanh bánh răng mặt trời, làm bánh răng bao OD quay nhanh hơn cần dẫn, tạo ra tỷ số truyền tăng (< 1).

4. Trạng thái đóng ngắt của hai van điện từ (Solenoid 1 và Solenoid 2) ở các cấp số tiến dải D như thế nào?
   Quy luật kích hoạt của 2 van điện từ ở dải D lần lượt là: Số 1 (Solenoid 1 Bật, Solenoid 2 Tắt); Số 2 (Solenoid 1 Bật, Solenoid 2 Bật); Số 3 (Solenoid 1 Tắt, Solenoid 2 Bật); Số truyền tăng OD (Solenoid 1 Tắt, Solenoid 2 Tắt).

5. Chức năng an toàn dự phòng (Fail-safe) của van điện từ trên mô hình hoạt động như thế nào khi gặp sự cố?
   Khi van solenoid 1 bị hỏng ngắt mạch ở dải D, hệ thống điều khiển đưa hộp số về hoạt động cố định ở số 3 để xe vẫn có thể di chuyển tạm thời; khi van solenoid 2 bị hỏng ở dải D, hộp số hoạt động ở số 1; trong trường hợp cả hai van solenoid đều mất tín hiệu, đường dầu thủy lực điều khiển thuần túy vẫn cho phép hộp số gài số truyền tăng OD để xe tiếp tục lưu thông đến xưởng sửa chữa.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Lập trình điều khiển mô hình hộp số tự động A140E sử dụng khí nén phục vụ công tác giảng dạy" đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu lý thuyết chuyên sâu về kết cấu và nguyên lý hoạt động của hộp số tự động 4 cấp Toyota A140E. Nhóm tác giả đã thiết kế và thi công hoàn chỉnh phần cứng mô hình, ứng dụng khí nén sạch thay thế dầu thủy lực và lập trình thành công hệ thống điều khiển nhúng trên nền tảng Arduino Mega 2560 kết hợp hiển thị trạng thái chi tiết. Kết quả thử nghiệm khẳng định mô hình đáp ứng tốt yêu cầu trực quan hóa chu trình chuyển số và kiểm tra chức năng an toàn dự phòng, cung cấp một thiết bị thực hành có giá trị ứng dụng cao cho công tác đào tạo kỹ thuật ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài - Chương 2: Tổng quan về hộp số tự động - Chương 3: Khảo sát hộp số tự động A140E - Chương 4: Thiết kế, thi công và lập trình hệ thống điều khiển mô hình hộp số tự động A140E phục vụ công tác giảng dạy - Chương 5: Vận hành mô hình - Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 1.4 Các phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu chọn lọc và thu thập thông tin - Phương pháp nghiên cứu tài liệu - Phương pháp thực nghiệm và phi thực nghiệm 1 Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỘP SỐ TỰ ĐỘNG 2.1 Lịch sử ra đời Hộp số tự động có thể được coi là một trong những phát minh quan trọng của nhân loại, sự ra đời của hộp số tự động đã làm thay đổi bộ mặt của ngành công nghiệp ô tô lúc bấy giờ. Theo nhiều nguồn tin cho rằng cha đẻ của hộp số tự động là kỹ sư Alfred Horner Munro, ông là một kỹ sư máy hơi nước người Canada. năm 1923, Ông đã phát minh ra hộp số tự động hoạt động bằng cách điều khiển các cụm bánh răng hành tinh bằng khí nén thay vì điều khiển bằng thủy lực.

Do thiết kế hộp số của ông phức tạp nên đã không được tiếp tục phát triển. Một thập kỷ sau, hai kỹ sư người Brazil là Fernando Lehly Lemos và José Braz Araripe đã chế tạo thành công hộp số tự động điều khiển bằng thủy lực đầu tiên trên thế giới. 1: Bản vẽ đầu tiên về hộp số tự động của kỹ sư máy hơi nước Alfred Horner Munro Các hãng xe như Chrysler và General Motors đã không ngừng nghiên cứu và cho ra mắt hộp số tự động với sự điều khiển là biến mô thủy lực. Tuy nhiên nó hoạt động rất khác với hộp số hiện tại của chúng ta, lúc bấy giờ người ta gọi nó là hộp số bán tự động vì khi dừng lại đứng yên tại chỗ muốn thay đổi số thì phải ngắt ly hợp.

“Sau một khoảng thời gian nỗ lực nghiên cứu và phát triển thì vào khoảng năm 1930 General Motors và Hydra Matic đã cho ra đời hợp số tự động của 4 cấp số hoạt động tự động hoàn toàn không có bất cứ ly hợp nào và từ đó hộp số Hydra Matic Drive được ra đời. Năm 1939 hộp số Hydra Matic được sản xuất đại trà trên một số mẫu xe thương hiệu 2 Oldsmobile. Có thể nói hộp số Hydra Matic là hộp số tiệm cận với hộp số tự động ngày nay của chúng ta ngoại trừ nó sử dụng khớp nối chất lỏng thay vì biến mô thủy lực”. 2: Hộp số tự động đã sử dụng trong xe tăng ở thế chiến thứ 2.2 Phân loại hộp số tự động 2.1 Phân loại theo hệ thống Theo hệ thống điều khiển thì hộp số tự động được chia làm 2 loại: - Hộp số tự động điều khiển bằng thủy lực hoàn toàn (Automatic Transmission) - Hộp số tự động điều khiển bằng điện tử (Electronic Controlled Transmission) 2.2 Phân loại theo vị trí đặt hộp số Theo vị trí đặt hợp số thì hộp số tự động được chia làm 2 loại: - Hộp số ngang (hay còn gọi là hộp số FF): là hộp số được thiết kế gắn trên xe mà động cơ đặt phía trước - cầu trước chủ động.

Loại này được thiết kế tinh gọn, đơn giản vì hộp số được đặt trong khoang động cơ và được tích hợp bộ vi sai bên trong hộp số. - Hộp số dọc ( hay còn gọi là hộp số FR): là loại hộp số được thiết kế gắn trên xe mà động cơ đặt phía trước - cầu sau chủ động. Loại hộp số này phải được kết nối với vi sai rời ở bên ngoài trước khi truyền tới các bánh xe chủ động.